Nghiên cứu chế tạo vật liệu mới hấp phụ chọn lọc dầu trong hệ đầu nước có khả năng ứng dụng trong quá trình tách chất và trong xử lý sự cố tràn dầu

Đề tài Nghiên cứu chế tạo vật liệu mới hấp phụ chọn lọc dầu trong hệ đầu nước có khả năng ứng dụng trong quá trình tách chất và trong xử lý sự cố tràn dầu thuộc công trình nghiên cứu khoa học cấp bộ

BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN HÓA HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT NAM VIIC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MỚI HẤP PHỤ CHỌN LỌC DẦU TRONG HỆ DẦU – NƯỚC CÓ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG CÁC QUÁ TRÌNH TÁCH CHẤT VÀ TRONG XỬ LÝ SỰ CỐ TRÀN DẦU Thuộc Nhiệm vụ nghiên cứu thường xuyên Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc, hóa dầu năm 2011 Chủ nhiệm đề tài: PGS. TS. Vũ Thị Thu Hà 9015 Hà nội, tháng 1/2012 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 3 PHẦN I. TỔNG QUAN 5 I.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở NƯỚC NGOÀI 6 I.1.1 Vật liệu ống nano carbon 6 I.1.1.1 Cấu trúc của ống nano carbon 6 I.1.1.2. Các tính chất đặc biệt của ống nano carbon 10 I.1.1.3 Các phương pháp tổng hợp ống nano carbon 13 I.1.1.4. Các ứng dụng của ống nano carbon 20 I.1.2. Sợi nano carbon 21 I.1.3 Vật liệu ống nano carbon phát triển trên đệm carbon 22 I.1.4 Vật liệu xốp ống nano carbon 23 I.1.5 Ứng dụng các vật liệu hấp phụ trong sử lý sự cố tràn dầu I.1.5.1 Ảnh hưởng của sự cố dầu tràn 24 24 Ảnh hưởng đến nền kinh tế 24 Ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống sinh vật 25 Ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống con người 25 I.1.5.2 Phân loại vật liệu hấp phụ 26 I.1.5.3. Yêu cầu kỹ thuật của các loại vật liệu hấp phụ dầu 28 I.1.6 Ứng dụng các vật liệu siêu kỵ nước trong quá trình tách chất 28 I.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở VIỆT NAM 30 I.2.1 Vật liệu ống nano carbon và sợi nano carbon 30 I.2.2 Vật liệu hấp phụ dầu 30 I.2.3 Sự cố tràn dầu tại Việt Nam và biện pháp khắc phục 31 I.2.3.1 Sự cố tràn dầu tầu Neptune Aries 31 I.2.3.2 Sự cố tràn dầu Formosa One 31 I.2.3.3 Sự cố tràn dầu tàu Fortune Freighter 32 I.2.3.4 Sự cố tràn dầu tàu Hồng Anh 32 I.2.3.5 Sự cố tràn dầu tàu Kasco Monrovia 33 I.3 KẾT LUẬN TRÊN CƠ SỞ PHÂN TÍCH LÝ THUYẾT 33 PHẦN II. THỰC NGHIỆM 35 II.1 CHẾ TẠO ỐNG NANO CARBON (CNTs) 36 II.2 CHẾ TẠO SỢI NANO CARBON (CNF) 38 II.3 CHẾ TẠO VẬT LIỆU ỐNG NANO CARBON PHÁT TRIỂN TRÊN ĐỆM CARBON (C-CNTs) 39 II.3.1 Nguyên liệu 39 II.3.2 Qui trình 39 II.4 CHẾ TẠO VẬT LIỆU XỐP TỪ ỐNG NANO CARBON (XỐP CNTs) 40 II.5 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DẦU 40 II.6 THĂM DÒ KHẢ NĂNG TÁCH DẦU TRONG HỆ DẦU- NƯỚC 40 PHẦN III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 III.1 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ ĐIỀU CHẾ VẬT LIỆU ỐNG NANO CARBON PHÁT TRIỂN TRÊN ĐỆM CARBON (C-CNTs) 43 III.1.1 Tối ưu hóa quá trình điều chế ống nano carbon 43 III.1.2 Nghiên cứu tổng hợp vật liệu ống nano carbon trên đệm carbon (C-CNTs) III.1.3 Đặc trưng tính chất của vật liệu ống nano carbon trên đệm carbon (C-CNTs) III.1.4 Tính chất siêu kỵ nước của vật liệu composite ống nano carbon trên đệm carbon (C-CNTs) 47 50 52 III.2 TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA SỢI NANO CARBON (CNFs) 53 III.3 TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA XỐP ỐNG NANO CARBON (XỐP CNTs) 55 III.4 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ DẦU CỦA CÁC VẬT LIỆU TRONG HỆ DẦU - NƯỚC 56 III. 5 THĂM DÒ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TRONG QUÁ TRÌNH TÁCH CHẤT VÀ TRONG XỬ LÝ SỰ CỐ TRÀN DẦU 57 III.5.1. Thăm dò khả năng ứng dụng vật liệu trong quá trình tách chất 57 III.5.2. Thăm dò khả năng ứng dụng vật liệu trong xử lý sự cố tràn dầu 59 III.6 ĐỀ XUẤT QUI TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU SIÊU KỴ NƯỚC TỪ NANO CARBON QUI MÔ PILOT 60 III.6.1 Đề xuất quy trình công nghệ chế tạo ống nano carbon trên đệm carbon (C-CNTs (PS)) 60 III.6.2 Đề xuất quy trình chế tạo vật liệu sợi nano carbon trên đêm carbon (C-CNFs) 61 III.6.3 Đề xuất quy trình chế tạo vật liệu xốp ống nano carbon (xốp CNTs) 62 III.6.4 Định hướng chế tạo vật liệu quy mô công nghiệp 64 III. 6.5 Đánh giá sơ bộ hiệu quả kinh tế và ý nghĩa thực tiễn 64 PHẦN IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 IV.1 KẾT LUẬN 66 IV.2 KIẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT PE: Polyetylen PU: polyuretan PP: polypropylene PF: Phenol-formaldehyde PS: Polystyren PVA: Poly vinyl alcohol CNTs: ống nano carbon SWNTs: ống nano carbon đơn vách MWNTs: ống nano carbon đa vách CNFs: sợi nano carbon C-CNFs: sợi nano carbon phát triển trên đệm carbon TG-DTA: Phương pháp phân tích nhiệt vi sai FTIR: Phương pháp phổ hồng ngoại SEM: Phương pháp kính hiển vi điện tử quét TEM: Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua BET: Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ PL: Hiện tượng phát sáng quang hóa CVD: Phương pháp tổng hợp lắng đọng pha h ơi hóa học LPG: Khí dầu mỏ hóa lỏng C-CNTs (PF): vật liệu được tạo bởi CNTs, sử dụng chất kết dính là polyme PF, sau khi carbon hóa C-CNTs (PS): vật liệu được tạo bởi CNTs, sử dụng chất kết dính là polyme PS, sau khi carbon hóa C-CNTs (PVA): vật liệu được tạo bởi CNTs, sử dụng chất kết dính là polyme PVA, sau khi carbon hóa. C-CNFs: Sợi nano carbon phát triển trên đệm carbon 2 TÓM TẮT Bằng cách phối hợp nhuần nhuyễn các phương pháp hóa học (tổng hợp lắng đọng pha hơi hóa học, CVD) và các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại (FTIR, BET, TEM, SEM, TG-DTA), chúng tôi đã tổng hợp thành công các vật liệu mới trên cơ sở nano carbon, bao gồm ống nano carbon CNTs, composit C-CNTs, sợi nano carbon phát triển trên đệm carbon C-CNFs và xốp CNTs. Đây là các vật liệu có bề mặt siêu kỵ nước, có khả năng hấp phụ chọn lọc dầu trong hệ dầ u – nước. Các vật liệu C-CNTs, C-CNFs và xốp CNTs có hình dạng định sẵn, không phải dạng bột nên có khả năng ứng dụng thực tiễn rất cao. Có thể sắp xếp khả năng hấp phụ dầu trong hệ dầu – nước của các vật liệu theo chiều giảm dần như sau: xốp CNTs >>>>> CNTs > C- CNFs > C-CNTs (PS) > C-CNTs (tấm) >> than hoạt tính. Bên cạnh đó, vật liệu tấm lọc trên cơ sở ống nano carbon CNTs có khả năng tách rất tốt nước và dầu trong hệ dầu – nước. 3 MỞ ĐẦU Tràn dầu là sự cố xảy ra trong quá trình khai thác, lưu trữ, vận chuyển và sử dụng dầu. Sự cố này không chỉ ảnh hưởng tiêu cực đến nền kinh tế mà còn gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sinh thái. Cùng với tốc độ phát triển kinh tế cao, tại Việt Nam trong thời gian gần đây, các ngành công nghiệp dầu khí cũng đang phát triển mạnh mẽ. Ước tính mỗi nă m chúng ta tiêu thụ khoảng 11 triệu tấn dầu và các sản phẩm dầu. Ngoài ra, Việt Nam còn nằm trên tuyến đường hàng hải quốc tế vận chuyển dầu từ Trung Đông đến Nhật Bản với lượng dầu vận chuyển lên đến 30 triệu tấn/năm. Điều đó có nghĩa là hàng nhiều chục triệu tấn dầu đang được lưu thông trên lãnh thổ Việt Nam mỗi năm và kéo theo là nguy c ơ xảy ra các sự cố tràn dầu là rất lớn. Thực tế cũng cho thấy các sự cố tràn dầu đã liên tiếp xảy ra từ nhiều năm trở lại đây. Ví dụ, sự cố tàu Neptune Aries năm 1994 tại Thành phố Hồ Chí Minh, sự cố tàu Formosa One năm 2001 tại tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, ba sự cố khác tại Thành phố Hồ Chí Minh năm 2003 và 2005, trong đó sự cố năm 2005 rất nghiêm tr ọng, sự cố tàu Mỹ Đình năm 2004 tại miền Bắc và hàng chục sự cố nhỏ lẻ khác trong cả nước và trong ngành Dầu khí. Căn cứ theo yêu cầu khách quan của một nền kinh tế đang trên đà phát triển có thể nhận thấy nguy cơ xảy ra sự cố tràn dầu tại Việt Nam chắc chắn còn tiếp tục tăng cao trong tương lai sắp tới. Ngay trước mắt, Việt Nam đã có chiến lược xây dựng các nhà máy lọc dầu và điều này sẽ làm gia tăng sự vận chuyển dầu thô từ nước ngoài vào Việt Nam. Đứng trước nguy cơ này, việc nghiên cứu các công nghệ ứng cứu với sự cố tràn dầu là một vấn đề có tính cấp bách và vô cùng quan trọng. Ngoài những phương pháp cơ học như sử dụng phao quây xa bờ, phao quây trên bờ, sử dụng thiết bị kiể u đập và hút chân không, còn nhiều công nghệ để xử lý sự cố tràn dầu như công nghệ phân tán hóa học, công nghệ phân hủy sinh học, đốt tại chỗ hoặc hấp phụ dầu mà trong đó, phương pháp hấp phụ có vẻ là giải pháp thích hợp nhất vì dầu có thể được thu hồi với những ảnh hưởng tiêu cực tối thiểu nhất. Phần lớn các chất hấp phụ hiện đ ang được sử dụng để xử lý sự cố tràn dầu như đất sét, đá trân châu, len thủy tinh đều có khả năng hấp phụ rất thấp. Vật liệu xốp polyurethane có khả năng hấp phụ cao hơn nhưng lại rất cồng kềnh và tính tương thích về mặt hóa học với các loại dầu khác nhau là chưa cao hoặc không xử lý triệt để được dầu. Xuất phát từ việc nghiên cứu đặc tính của vật liệu xử lý dầu tràn chúng tôi nhận thấy, để có thể xử lý một cách hiệu quả vết dầu trên mặt nước, vật liệu phải có 3 tính chất quan trọng sau đây: 4 - Hấp phụ chọn lọc dầu trong hệ dầu nước, tức là phải có tính chất kỵ nước, ưa dầu - Có khối lượng riêng nhỏ để có thể nổi lên mặt nước - Có thể chiết được dầu khỏi vật liệu để tái sử dụng Để đáp ứng các yêu cầu trên, vật liệu trên cơ sở nano carbon là một trong những ứng cử viên t ốt nhất hiện nay. Những nghiên cứu thăm dò trong thời gian gần đây của nhóm nghiên cứu chúng tôi cho thấy có thể chế tạo được loại vật liệu mới trên cơ sở hỗn hợp C-CNTs (carbon và ống nano carbon) từ các nguồn nguyên liệu trong nước có tính năng hấp phụ dầu rất tốt, rất thích hợp cho việc xử lý sự cố tràn dầu và đặc biệt, có thể xử lý triệt để c ả các vết dầu loang trên mặt nước. Kết hợp các phương pháp cơ học với phương pháp hấp phụ bằng vật liệu này chắc chắn sẽ giúp xử lý một cách hiệu quả sự cố tràn dầu, mang lại sự trong sạch cho môi trường. Ngoài ra, với tính chất siêu kỵ nước và tính chất hấp phụ chọn lọc dầu trong hệ dầu nước, vật liệu này còn hứa hẹn có nhiề u ứng dụng hơn nữa trong các quá trình hóa học và xử lý môi trường. Vì lý do đó, đề tài đặt ra mục tiêu nghiên cứu chế tạo vật liệu mới trên cơ sở carbon-ống nano carbon (C-CNTs) có tính chất siêu kỵ nước, có khả năng hấp phụ chọn lọc dầu trong hệ dầu nước để ứng dụng trong việc xử lý dầu tràn. Cụ thể là sẽ nghiên cứu qui trình công nghệ qui mô phòng thí nghiệm ch ế tạo vật liệu siêu kỵ nước trên cơ sở C-CNTs và nghiên cứu thăm dò các ứng dụng của vật liệu trong quá trình tách chất và xử lý sự cố tràn dầu. 5 PHẦN I TỔNG QUAN [...]... Bản thì vật liệu hấp phụ dầu được chấp nhận như một mặt hàng thương mại thì phải có khả năng hấp phụ dầu ít nhất là 6 kg dầu trên 1kg vật liệu hấp phụ dầu [40] I.1.6 Ứng dụng các vật liệu siêu kỵ nước trong quá trình tách chất Vật liệu kỵ nước được sử dụng để loại bỏ dầu từ nước, xử lý sự cố tràn dầu và tách các chất không phân cực từ các hợp chất phân cực như tách nước khỏi dầu, tách nước khỏi hệ nhũ... 1997/1998 [38], nếu 1kg vật liệu hấp phụ dầu hấp phụ được khoảng dưới 5 kg dầu thì vật liệu hấp phụ dầu được xếp loại kém, không kinh tế và không có khả năng thành sản phẩm thương mại Nếu 1kg vật liệu hấp phụ dầu hút được khoảng 5-10 kg dầu thì vật liệu hấp phụ dầu được xếp loại khá, có khả năng thương mại; Còn nếu 1kg vật liệu hấp phụ dầu hút được khoảng 10 kg dầu thì vật liệu hấp phụ dầu được xếp loại... là có khả năng tái sử dụng nhiều lần do dễ dàng thu hồi dầu bằng phương pháp ép cơ học hoặc đốt cháy [31] 27 I.1.5.3 Yêu cầu kỹ thuật của các loại vật liệu hấp phụ dầu [38] Để có thể trở thành các sản phẩm thương mại, các loại vật liệu hấp phụ dầu cần phải đáp ứng một số yêu cầu kỹ thuật sau: - Khả năng hấp phụ dầu cao và vận tốc hấp phụ dầu nhanh và hút nước thấp; - Khả năng lưu dầu cao trong quá trình. .. chuyển; - Khả năng thu hồi dầu (nhả hấp phụ) nhanh và bằng những phương pháp đơn giản nhất có thể; - Có các tính chất cơ lý tốt và có khả năng tái sử dụng nhiều lần; - Có tỷ trọng thấp, khả năng nổi cao trên mặt nước; - Chịu được các dung môi, hóa chất thông dụng; - Không bị phân hủy quang hóa; - Sẵn có và giá thành rẻ; - Đáp ứng tiêu chuẩn về khả năng hấp phụ dầu trên 1kg vật liệu hấp phụ dầu như sau:... [3 - 7] Tuy nhiên, đây mới chỉ là các nghiên cứu mang tính chất thăm dò, chưa có tính hệ thống I.2.2 Vật liệu hấp phụ dầu Trong những năm gần đây, vật liệu hấp phụ dầu đã được quan tâm nghiên cứu ở Việt Nam Các vật liệu có trong tự nhiên như rơm rạ hoặc các vật liệu xốp là những vật liệu sơ đẳng nhất được dùng để hấp phụ dầu, song dung lượng hấp phụ của chúng rất thấp, nên ít có hiệu quả, đồng thời... vật liệu hấp phụ dầu Tiến sĩ S kathíean, giảng viên không công nghệ của đại học AIMST Malaysia đã chế tạo thành công vật liệu hập phụ dầu từ bột vỏ sầu riêng với khả năng hấp phụ dầu tương đối tốt; gấp 30 -40 lần (Q= 30-40) so với khối lượng vật liệu ban đầu [37] Vật liệu polyme như polypropylen, polyeste và polyuretan …, cũng đã được rất nhiều nhà nghiên cứu tổng hợp chế tạo và ứng dụng trong sự cố. .. phải tạo hình cho sản phẩm CNFs tạo ra trên đệm C có tính chất 21 kỵ nước, ưa dầu, tương tự CNTs nên vật liệu CNFs cũng được ứng dụng trong hấp phụ chọn lọc dầu trong hệ dầu nước I.1.3 Vật liệu C-CNTs [25] Để mở rộng khả năng ứng dụng của CNTs trong các lĩnh vực khác nhau, CNTs thường được định hình dạng hạt hoặc dạng tấm Việc định hình CNTs sẽ làm cho quá trình thu hồi vật liệu CNTs sau ứng dụng trở... tính,… Các ưu và nhược điểm chính của vật liệu hấp phụ dầu vô cơ kể trên như sau: Ưu điểm: sẵn có, giá thành rẻ Nhược điểm: có tỷ trọng cao, không tái sử dụng được, hút nước, tính ưa dầu kém vì thế vật liệu có khả năng hấp phụ dầu thấp; khó khăn trong vận chuyển và sử dụng vì phần lớn vật liệu hấp phụ dầu vô cơ đều ở dạng bột hoặc hạt Trên thế giới đã có rất nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu chế tạo thành... tạo thành các sản phẩm khác nhau như các loại phao, gối, chăn, khăn, tiện dụng cho công tác ứng cứu các sự cố tràn dầu Nhược điểm: khả năng nổi kém vì có tỷ trọng cao, tính ưu nước (hydrophilicity) cao, tính ưa dầu (hydrophobicity) thấp vì thế vật liệu có khả năng hấp phụ dầu thấp Vật liệu hấp phụ dầu vô cơ Vật liệu hấp phụ dầu vô cơ gồm các loại khoáng sét (vermiculite, diatomite, perlite, cát thạch... cotton và loofah Q < 4, than hoạt tính Q ≈ 1) Một ưu việt hơn nữa của các xốp CNTs là dễ dàng thu hồi triệt để dầu nhờ phương pháp ép cơ học, đồng thời có khả năng tái sử dụng cao Hình I.16 Đặc tính xốp của vật liệu xốp CNTs Hình I.17 Đặc tính kỵ nước ưu dầu của vật liệu xốp CNTs 23 I.1.5 Ứng dụng các vật liệu hấp phụ trong sử lý sự cố tràn dầu I.1.5.1 Ảnh hưởng của sự cố dầu tràn [33] Dầu tràn là sự giải . NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU MỚI HẤP PHỤ CHỌN LỌC DẦU TRONG HỆ DẦU – NƯỚC CÓ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG TRONG CÁC QUÁ TRÌNH TÁCH CHẤT VÀ TRONG XỬ LÝ SỰ CỐ TRÀN DẦU Thuộc Nhiệm vụ nghiên cứu thường. TRONG HỆ DẦU - NƯỚC 56 III. 5 THĂM DÒ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA VẬT LIỆU TRONG QUÁ TRÌNH TÁCH CHẤT VÀ TRONG XỬ LÝ SỰ CỐ TRÀN DẦU 57 III.5.1. Thăm dò khả năng ứng dụng vật liệu trong quá trình tách. có khả năng hấp phụ chọn lọc dầu trong hệ dầu nước để ứng dụng trong việc xử lý dầu tràn. Cụ thể là sẽ nghiên cứu qui trình công nghệ qui mô phòng thí nghiệm ch ế tạo vật liệu siêu kỵ nước